环境湿度对超疏水翅片结霜特性的影响

为揭示超疏水翅片在不同环境湿度下的结霜特性及抑霜性能，制备了接触角为161.5°的超疏水翅片，并通过搭建翅片表面结霜实验平台，获取了环境相对湿度分别为65%、75%、85%和95%条件下，超疏水翅片的结霜特性及抑霜性能.实验结果表明：结霜初始阶段凝结液滴的生长行为受相对湿度影响，凝结液滴的冻结时间随着相对湿度的增加而减少，但湿度对液滴冻结前翅片表面覆盖率的影响并不明显；结霜时间为45 min时，几种环境相对湿度下的霜层高度分别为0.26, 0.42, 0.65, 0.93 mm,虽然超疏水翅片的霜层高度随着环境相对湿度的增加而增加，但与普通翅片相比，其在不同湿度条件下均能有效抑制结霜.     

翅片表面特性对结霜过程影响的实验研究

为研究翅片表面特性对空气源热泵结霜的影响,构建了翅片结霜实验平台,对接触角不同的4种翅片表面(亲水性铝翅片、普通铝翅片、疏水性铝翅片、超疏水性铝翅片)的结霜过程细微观特征进行了可视化研究,获得了翅片表面特性对结霜过程细微观物理特征及霜层热工特性的影响规律.结果表明,在霜晶生长初期,接触角越大,凝结形成的液滴粒径越小,分布越稀疏,液滴开始冻结的时间越滞后.霜层生长过程中,接触角大的表面霜晶相对矮小且疏松,枝晶分布不均匀,而接触角小的表面霜晶纤长且致密,枝晶多且分布均匀.随着接触角的增大,霜层的高度和导热系数减小,表面温度降低.超疏水性表面霜高比亲水性表面减少了45%,接触角越大的表面其抑霜效果越明显.     

冷表面霜晶演化的微观可视化观测

对冷表面霜层生长过程进行了微观可视化研究,对结霜生长过程不同时期的霜晶演化特征进行了观测,同时从相变动力学的角度对冷表面霜层初始液滴成核过程进行了理论分析.试验研究发现,冷表面霜层生长阶段不同位置霜晶呈现不均匀生长,局部存在霜枝倒伏以及霜晶消融现象,且随着时间的推移,冷表面不同位置霜晶逐渐趋于均匀.研究结果表明,冷表面温度越低,湿空气中水蒸气过饱和度越大,相变驱动力越大,发生气液相变形成活化液核的可能性越大.霜晶体表面温度以及局部水蒸气分压力的联合效应是发生霜晶消融的根本原因.     

受限流道沿程参数变化对竖直圆管表面结霜特性影响的实验研究

为研究换热器受限流道内沿程湿空气参数和壁温同时变化对霜层生长的影响,搭建了竖直布局的可视化结霜实验台。实验研究了受限流道内沿程霜层厚度、壁温、霜层生长率等参数的变化规律,以及逆流工况下入口湿空气温度、相对湿度、空气流速对受限流道内圆管表面的结霜量和平均霜层密度的影响。实验结果表明：沿制冷剂流动方向,制冷剂入口段霜层逐渐变薄,中间段霜层厚度趋于平坦,出口段霜层厚度上升。因受限效应的影响,在结霜初期流道内的霜层生长率逐渐降低;在结霜中期流道内水蒸气浓度随时间升高,可使霜层生长率出现小幅提升;在结霜后期霜层生长率降低。在壁温越低、水蒸气浓度越高的位置,霜层生长率出现局部增大的时间越早。更高的入口湿空气温度、相对湿度、空气流速会提升结霜量,而平均霜层密度随入口相对湿度升高而下降。     

环境参数对空气源热泵蒸发器表面霜层影响研究

对一台空气源热泵翅片管蒸发器表面结霜特性进行了实验研究,分析了室外环境温度和相对湿度对霜层的形态、平均密度、总平均密度及动态密度的影响.实验结果表明:室外环境温度的降低或相对湿度的增加将促使换热器表面霜层在生长过程中形成针状霜晶,乃至形成绒状霜层;在高温、高湿度工况下,霜层表面出现凝结水滴,使得霜层密度增大.在霜层减速生长段,霜层平均密度随结霜时间呈增大趋势,而在霜层加速生长段,霜层平均密度随结霜时间迅速减小,且动态霜层密度远远小于霜层平均密度.对环境参数不同而霜层厚度相同的霜层平均密度进行比较发现,其随环境温度的升高及相对湿度的减小而增大,且相对湿度的影响在低湿度工况下更为显著.     

微量水蒸气条件下低温表面结霜过程的实验研究

为研究微量水蒸气在低温表面上的结霜过程,搭建了低温表面微量水汽混合湿氮气的可视化结霜实验台。实验对比了常规湿度和微量水汽含量条件下,-180℃冷表面上常温氮气流中水蒸气结霜过程和形态,研究了不同微量水汽含量以及环境压力对低温结霜特性的影响。结果表明：相比于常规湿度条件下冷凝-冻结机制主导的结霜过程,微量水蒸气(体积分数71×10^-6)在低温表面主要通过凝华机制生成微小冰晶沉积在冷表面,形成不均匀分布的无明显枝干的霜晶,随后形成平整疏松的霜层。凝华机制主导的霜层生长过程主要体现为霜层厚度的增大,而密度无明显增大。在微量水蒸气条件下,随着水汽含量由1.53×10^-6升高至500×10^-6,霜层逐渐增厚并伴随着霜层形态由平坦均匀薄层向簇状霜团转变,增大的接触面积使霜层生长速率加快。环境压力由109 kPa升高至190 kPa时,增大的水蒸气分压本质上是由水蒸气绝对含量增加引起,霜层生长加快,表面的不平整程度会升高,霜晶形态更丰富。随时间推移,同一时刻不同环境压力下霜层厚度的差异逐渐增大。最后拟合了适用于低温表面上微量水蒸气条件...     

结霜初期超疏水表面凝结液滴的自跳跃脱落及其对结霜过程的影响

制备了具有微纳复合结构的超疏水表面,对其结霜过程进行了可视化观测,揭示了结霜初期表面凝结液滴的自跳跃行为及其对结霜过程的影响,并与普通表面的结霜过程进行了对比研究.实验结果表明,结霜初期,超疏水表面的凝结液滴频繁出现合并后自跳跃现象,根据液滴合并前的尺寸大小,可将自跳跃行为分为3类,而普通表面未观察到类似现象;液滴自跳跃临界半径随着液固接触面积分数的降低和表面接触角的增大而减小.初始凝结液滴的自跳跃降低了超疏水表面液滴覆盖率和分布密度,同时引起表面霜层生长的不均匀性和霜晶结构的差异.与普通表面相比,超疏水表面可有效抑制结霜,延缓霜层生长速率.     

亲水性抑霜涂层的实验研究

针对冷库等低温设备易鲒霜的现象,进行了新型亲水性抑霜涂层的研制.在低温高湿的条件下,亲水性抑霜涂层可以有效地延长霜晶的出现时间,并与相同面积的裸表面相比,霜重减少量达40％以上.用最小二乘估计法(Least Squares Estimation,简称LS估计)拟合霜重增长量曲线,回归方法得到的拟合值与实验数据相接近,为预测霜层的增长趋势提供了理论基础.     

疏水性铝翅片表面的结霜/融霜特性

为了揭示疏水性铝翅片表面特性对结霜/融霜过程的影响规律,构建翅片结霜/融霜实验平台,制备接触角为90°~160°的4组疏水性铝翅片,并对其表面的结霜/融霜特性进行研究。研究结果表明:翅片表面的接触角越大,凝结液滴越晚出现,抗凝结作用越明显。4组翅片表面霜晶形态相似,但霜层高度区别明显,接触角越大,霜层越薄,抑霜效果越好。翅片表面的接触角和接触角滞后对凝结液滴及融霜滞留液滴的形状、尺寸和分布密度具有重要影响。此外,疏水性强的翅片,表面融霜过程快且滞留水少,接触角为160°的表面其滞留水比接触角为98°的表面减少79.82%。因此,采用疏水性强的翅片,有利于减少蒸发滞留水耗热量和时间,从而提高热泵除霜效率。     

板翅式换热器热通道结霜过程的数值模拟

为了研究板翅式换热器热通道在不同工况下的霜层生长规律以及霜层对板翅式换热器的影响,建立了基于Lewis传热传质类比理论的结霜模型,并将该模型与板翅式换热器非稳态传热模型相结合。首先借助平板结霜可视化观测实验台验证了该模型的准确性,然后主要计算对比了湿空气进口流速分别为0.8、1.2、2 m/s,相对湿度分别为60%、70%、80%时换热器热通道结霜量的大小,以及结霜起点位置的变化。结果表明:空气流速越大,霜层增长的速率越大,结霜区域越小;空气相对湿度越大,霜层增长的速率越大,结霜区域越大。并且,随着霜层厚度增长通道压降持续增大,板翅式换热效率持续下降,当热通道内霜层平均厚度累积到1.5 mm时换热器效率下降约10%。     

霜晶生长的界面演变及机制分析

为了认识冷面结霜的微观机制,对霜晶生长过程中的各种界面演变现象进行了研究。从晶体生长角度解释了各种形状初始霜晶的形成机制;利用界面稳定性理论分析指出:温度场和水蒸气浓度场是影响霜晶生长的主要因素,两者的竞争耦合作用是产生相变和霜晶各种界面演变现象的根本原因;建立了霜晶生长速率与霜晶表面温度及水蒸气分压力相关的数学模型。计算结果表明:随着霜晶温度的降低或环境空气水蒸气分压力的增加,霜晶生长速率增大,这与实验以及基于分子运动论的分析结论是一致的。     

霜晶生长的界面演变及机理分析

为了认识冷面结霜的微观机理,对霜晶生长过程中的各种界面演变现象进行了研究。从晶体生长角度解释了各种形状初始霜晶的形成机制;利用界面稳定性理论分析指出:温度场和水蒸气浓度场是影响霜晶生长的主要因素,两者的竞争耦合作用是产生相变和霜晶各种界面演变现象的根本原因;建立了霜晶生长速率与霜晶表面温度及水蒸气分压力相关的数学模型。计算结果表明:随着霜晶温度的降低或环境空气水蒸气分压力的增加,霜晶生长速率增大,这与实验以及基于分子运动论的分析结论是一致的。     

疏水冷面霜晶生长的有限扩散凝聚模型

为了深入了解霜晶的动态生长过程,以有限扩散凝聚模型为基础建立了疏水冷面霜晶二维生长模型.通过在表面上设置不同冰珠数量来模拟冷面不同疏水性能,无涂层金属表面则布满冰珠;采用粒子在网格节点上随机移动来描述水蒸气分子的运动,粒子沿各方向移动的概率相同.数值结果表明,霜晶动态生长的可视化结果与实验图像在形态上保持一致;树枝状霜晶具有分形特征,相应的分形维数为1.44～1.78,与实验值相近.疏水冷面霜晶生长缓慢且分布稀疏;采用疏水效果不好的冷面的结霜情况与金属表面相似.     

超声波影响初始霜晶生长的微观可视化研究

试验研究了超声波对平板表面结霜初始阶段霜晶生长的影响.对自然对流条件下施加20kHz频率的超声波和未施加超声波两种作用机制下平板表面结霜初始阶段冻结水珠的形态、分布以及水珠冻结后水珠表面霜晶的生长进行了微观可视化研究.对有无超声波作用的不同冷表面温度下水珠冻结粒径的大小以及水珠分布的疏密进行了对比分析.同时对有无超声波作用下水珠冻结后水珠表面霜晶的生长进行了对比观测.试验结果显示:施加超声波作用后,冻结水珠粒径显著减小,形态相对规整且接近圆形;分布相对规则且明显稀疏;水珠冻结后其表面霜晶几乎不生长.结果表明:超声波对结霜初期冻结水珠的形成以及水珠冻结后水珠表面霜晶的生长具有显著的抑制作用.     

霜晶形态演变过程的实验观测

利用显微可视化实验台,对水平冷板上霜层表面冰晶的形态演变过程进行研究,在霜层成熟期观察到一种冰晶＂吞噬＂现象。冰晶在周围冰晶正常生长的同时发生升华,并且升华过程从温度较低的根部开始。在冰晶升华过程中,有可能于根部生长出新冰晶,最终被新冰晶取代。局部温度场和浓度场的相互作用是产生这些冰晶竞争现象的主要原因。     

结霜与微尺度表面特性的实验研究

针对翅片式蒸发器表面的结霜问题，提出了一种新的实验研究方法，即利用CSPM2000(扫描探针显微镜)对两类材料冷表面进行扫描记录，同时利用专门的CCD摄像与显微镜系统，观测两类材料表面的整个结霜过程，从而探讨微观表面结构与材料表面霜层形成的关系．实验结果表明，材料的表面粗糙度对结霜有很大影响，表面光洁度好，霜沉降量较小。     

水泥预加固-人工冻结联合工法加固地层冻胀特性

为研究采用联合工法施工,能够有效控制土体冻胀位移的施工参数,本文以广州地铁十四号线某联络通道冻结工程为背景,通过有限元软件建立联络通道冻胀位移场三维数值模型,研究了盐水温度和水泥掺量对土体冻胀位移的影响,并计算不同冻结壁厚度下地表冻胀位移量以及联络通道开挖土体的塑性区域,在满足施工安全的前提下,进一步对冻结壁设计参数进行优化,以减小土体冻胀位移。结果表明：采用水泥预加固-人工冻结联合工法施工,当水泥掺量设定为12%,盐水温度控制在-25℃~-31 ℃时,积极冻结末期,地表冻胀位移能够满足工程监测要求;水泥掺量设定为12%,冻结壁厚度设定在1.8m,盐水温度控制在-31 ℃。可见相对于原施工方案,采用联合工法施工,积极冻结末期地表冻胀量减小了73%。     

超声辅助冷冻对湿面筋蛋白中可冻结水含量及冰晶粒度分布的影响

超声辅助食品冷冻过程是一种新的技术。本文通过对湿面筋蛋白中可冻结水含量及冰晶粒度分布的检测,研究超声辅助食品冷冻过程中冰结晶的热力学机制。用差示扫描量热仪测定了不同冷冻环境下湿面筋蛋白中可冻结水的含量,结果可见：超声辅助冷冻和液氮浸渍冷冻的湿面筋蛋白中可冻结水的含量比传统冷冻过程的高。用扫描电镜间接观察和分析了冷冻的湿面筋蛋白中冰晶的形状和粒度分布,表明适当的功率超声能加速湿面筋蛋白的冷冻过程;超声辅助和液氮浸渍冷冻的湿面筋蛋白中冰晶细小且分布均匀,可减少冷冻时对面筋蛋白网络结构的破坏。显示超声辅助冷冻是改善冷冻食品品质的实用技术。     

聚合物涂层与沥青混凝土衬砌渠道冻胀模拟

为了研究青混凝土与柔性增强涂层材料两种防渗抗冻胀技术的有效性,采用有限元分析软件ADINA,对其进行温度场、变形场及应力场仿真分析,研究了衬砌板的冻胀变形及其法向冻胀力和切向冻胀力分布规律,并分析衬砌板的应力及破坏规律;通过与普通混凝土衬砌对比分析,指出采用沥青混凝土、柔性增强涂层材料等柔性防渗抗冻胀材料不仅能使衬砌板的冻胀量及冻胀力更加均匀,而且通过释放变形,可使其法向及切向冻胀力减小25%～46%,可有效控制衬砌渠道冻胀破坏.     

一类源于土壤次级冻胀的非平衡问题

就土壤次级冻胀中伴随冰晶生长现象时产生的一类非平衡问题进行了讨论,得到了该类问题的解的存在唯一性结果.